Gire um carrossel rápido o suficiente e os pilotos voarão em todas as direções. Mas as partículas giratórias em um laboratório da Rice University fazem exatamente o oposto.

Experimentos no laboratório de Rice da engenheira química Sibani Lisa Biswal mostram esferas do tamanho de um mícron se unindo sob a influência de um campo magnético girando rapidamente. Isso não é surpresa porque as próprias partículas são magnetizadas.

Mas como eles se juntam é de interesse, pois as partículas primeiro se reúnem em um aglomerado desorganizado e, em seguida, em um regime semelhante ao de um cristal, à medida que o campo magnético se torna mais forte.

Os resultados do trabalho liderado por Biswal e a estudante de graduação Elaa Hilou aparecem na Physical Review Materials. Os pesquisadores esperam que isso inspire maneiras de olhar, modele e crie novos materiais bidimensionais como catalisadores sintonizáveis ​​ou coloides que podem alterar sua área de superfície sob demanda.

Experimentos revelaram limites, formas, transições de fase e a criação e resolução de defeitos semelhantes aos do cristal entre 300 e 1, 500 esferas magnetizadas seguiram seus impulsos energéticos sob a influência do campo móvel.

"Eu tenho apresentado isso como uma versão miniaturizada de um spinner de fidget, onde usamos o campo magnético para gerar uma interação isotrópica em torno das partículas, "Biswal disse." Podemos criar conjuntos de partículas que são embalados de forma frouxa a muito compacta pela força dessa interação. "

Isso interessou a Biswal e Hilou, mas não tanto quanto o que eles viram acontecendo nas bordas, onde a tensão da linha formada pelas partículas mais externas determinou a forma final das matrizes.

"Pense em uma bolha de sabão, "Biswal disse." Sempre forma uma esfera, mesmo quando você tenta deformá-lo. Isso porque a tensão superficial deseja minimizar sua área de superfície. É o mesmo para nosso sistema, mas em duas dimensões. As interações estão sempre tentando minimizar o que chamamos de tensão da linha.

"Elaa encontra a interface de Gibbs e mede a energia nessa interface, onde vai de muitas partículas de espessura (em baixas intensidades de campo magnético) a quase uma única partícula de espessura, alterando a intensidade da interação, "Ela disse." Ela fez muitas análises da tensão da linha e como ela se relaciona com a energia do sistema. "

A próxima etapa é criar física, modelos móveis para sistemas reais para ver como os constituintes reagem quando perturbados. "Há muito interesse em tentar criar modelos para sistemas atômicos e moleculares, "Biswal disse." A maior parte disso foi feito por meio de simulações computacionais, mas aqui temos um sistema experimental que pode realizar estruturas e processos como a coalescência. "

"Por exemplo, em catálise, se você quiser aumentar a área de superfície, você quer mais vazios para facilitar o contato entre um catalisador e uma reação, "Hilou disse." Aumentando a concentração e controlando o campo, podemos começar a ver vazios e controlar a interface em relação ao volume. "

A técnica pode modelar emulsões, ela disse. "Digamos que você tenha óleo e água e queira separá-los em fases, "Disse Hilou." No caso dos cosméticos e da indústria de alimentos, você deseja que as emulsões sejam estáveis. Queremos ser capazes de imitar sua dinâmica, controlando o tamanho das partículas e a intensidade do campo. "

Biswal disse que a técnica também pode ser usada para modelar sistemas em que a temperatura, ao invés de eletromagnetismo, é o motorista. Em campos como metalurgia, defeitos são removidos "aumentando a temperatura para dar às moléculas mais liberdade para mover os limites e vazios dos grãos, "ela disse." Então eles diminuem a temperatura para travar nas estruturas.

"O que temos é um mostrador que não apenas imita os efeitos da temperatura com um campo magnético, mas também oferece a capacidade de observar através de um microscópio o que acontece em um sistema real, "Biswal disse.

Di Du, ex-aluno de graduação do Rice, agora analista de pesquisa estatística no MD Anderson Cancer Center da Universidade do Texas, e o estudante de graduação Steve Kuei são co-autores do artigo. A National Science Foundation apoiou a pesquisa.